Microscopio: Historia, Microscopio Simple y Compuesto

función del microscopio

Es un instrumento que produce imágenes ampliadas de objetos pequeños.

Lo que permite al observador una visión muy cercana de estructuras diminutas a una escala conveniente para el examen y el análisis.

Aunque los microscopios ópticos son el tema de este artículo, una imagen también puede ser agrandada por muchas otras formas de onda, incluyendo acústica, rayos X o haz de electrones, y ser recibida por imágenes directas o digitales o por una combinación de estos métodos.

El microscopio puede proporcionar una imagen dinámica (como con instrumentos ópticos convencionales) o una que sea estática (como con los microscopios electrónicos de barrido convencionales).

Algunos microscopios digitales han prescindido de un ocular y proporcionan imágenes directamente en la pantalla de la computadora.

Esto ha dado lugar a una nueva serie de microscopios digitales de bajo costo con una amplia gama de posibilidades de procesamiento de imágenes, incluida la micrografía de lapso de tiempo, que ha llevado las tareas complejas y costosas al alcance del microscopista joven o aficionado.

Otros tipos de microscopios usan la naturaleza de onda de varios procesos físicos. El más importante es el microscopio electrónico, que utiliza un haz de electrones en su formación de imágenes.

También hay microscopios que usan láseres, sonido o rayos X. El microscopio de efecto túnel (STM), que puede crear imágenes de átomos, y el microscopio electrónico de barrido ambiental (ESEM), que genera imágenes usando electrones de especímenes en un entorno gaseoso, utilizan otros efectos físicos que amplían aún más los tipos de objetos que pueden ser examinado.

Historia de los microscopios ópticos

Alrededor de 1267 el filósofo inglés Roger Bacon escribió en Perspectiva, ” podemos enumerar las partículas más pequeñas de polvo y arena por la grandeza del ángulo bajo el cual las podemos ver”, y en 1538 el médico italiano Girolamo Fracastoro escribió en Homocentrica, “Si alguien mira a través de dos anteojos, uno superpuesto al otro, verá todo mucho más grande”.

Tres creadores de espectáculos holandeses – Hans Jansen, su hijo Zacharias Jansen y Hans Lippershey – han recibido crédito por haber inventado el microscopio compuesto alrededor de 1590.

El primer retrato de un microscopio fue dibujado alrededor de 1631 en los Países Bajos. Era claramente un microscopio compuesto, con un ocular y una lente objetivo.

Este tipo de instrumento, que llegó a ser de madera y cartón, a menudo adornado con piel de pescado pulido, se hizo cada vez más popular a mediados del siglo XVII y fue utilizado por el filósofo natural inglés Robert Hooke para ofrecer demostraciones regulares para la nueva Royal Society.

La aparición de nuevas variedades de gafas ópticas alentó el desarrollo continuo del microscopio en el siglo XIX, y se hicieron mejoras considerables para comprender la óptica geométrica de la formación de imágenes.

Los microscopios de luz que se produjeron en el último cuarto del siglo XIX alcanzaron los límites efectivos de la microscopía óptica. Los instrumentos posteriores, como los microscopios de contraste de fase, los microscopios de interferencia y los microscopios confocales, resolvieron problemas específicos que se habían presentado durante el estudio de muestras, como las células vivas.

El microscopio simple

Principios

El microscopio simple consiste en una sola lente tradicionalmente llamada lupa. El ejemplo actual más familiar es una lectura o una lupa. Las lentes de mayor aumento actuales a menudo se fabrican con dos elementos de vidrio que producen una imagen corregida por color.

Se pueden usar alrededor del cuello envasados en forma cilíndrica que se puede sostener en su lugar inmediatamente delante del ojo. Estos se conocen generalmente como lentes de ojo o lentes de joyería.

Aumento

Es instintivo, cuando uno desea examinar los detalles de un objeto, acercarlo lo más posible al ojo. Cuanto más cerca esté el objeto del ojo, mayor será el ángulo que subtiende en el ojo, y por lo tanto, cuanto más grande sea el objeto aparece.

Sin embargo, si un objeto se acerca demasiado, el ojo ya no puede formar una imagen clara. El uso de la lente de aumento entre el observador y el objeto permite la formación de una “imagen virtual” que se puede ver con comodidad.

Para obtener la mejor imagen posible, la lupa debe colocarse directamente en frente del ojo. El objeto de interés se dirige hacia el ojo hasta que se ve una imagen clara del objeto.

Sin lentes, la ampliación más alta posible es cuando el objeto se lleva a la posición más cercana en la que se observa una imagen virtual clara.

La claridad de la imagen virtual ampliada dependerá de los errores presentes en la lente, su contorno y la manera en que se usa.

Errores

Varios errores influyen en la nitidez o calidad de la imagen. Los errores cromáticas producen franjas de color alrededor de las regiones de alto contraste de la imagen, porque las longitudes de onda más largas (como el rojo) se enfocan en un plano un poco más alejado de la lente que las longitudes de onda más cortas (como el azul).

La distorsión esférica produce una imagen en la que el centro del campo de visión está enfocado cuando la periferia puede no serlo y es una consecuencia del uso de lentes con superficies esféricas (en lugar de esféricas o asféricas).

La distorsión produce imágenes curvas a partir de líneas rectas en el objeto. El tipo y grado de distorsión visible está íntimamente relacionado con la posible aberración esférica en la lupa y, por lo general, es más grave en las lentes de alta potencia.

Los errores de una lente aumentan a medida que aumenta la abertura relativa (es decir, el diámetro de trabajo dividido por la longitud focal) de la lente.

Por lo tanto, las aberraciones de una lente cuyo diámetro es el doble de la distancia focal serán peores que las de una lente cuyo diámetro es menor que la distancia focal.

Tipos de lupas

Hay varios tipos de lupas disponibles. La elección de un diseño óptico para una lupa depende de la potencia requerida y la aplicación prevista de la lupa.

Para potencias bajas, alrededor de 2-10 ×, se aplica una lente doble convexa simple. (Los primeros microscopios simples, como el de Leeuwenhoek, se ampliaron hasta 300 ×).

La imagen se puede mejorar si la lente tiene superficies esféricas específicas, como se puede obtener fácilmente en una lente moldeada de plástico.

Se observa una reducción de la distorsión cuando se utiliza una lente asférica, y la fabricación de tales lupas de plástico asférico de baja potencia es una industria importante.

Para potencias superiores de 10-50 ×, hay una serie de formas para lupas en las que la lupa simple se reemplaza por una lente compuesta compuesta por varias lentes montadas juntas.

Una mejora directa en la distorsión que se puede esperar de una lupa se puede obtener mediante el uso de dos lentes simples, generalmente plano-convexas (planas en un lado, curvadas hacia afuera en el otro, con las superficies curvas enfrentadas).

Este tipo de lupa se basa en el ocular del telescopio Huygenian, en el que se corrige la aberración cromática lateral separando los elementos a una distancia focal de separación.

Las lupas más complejas, como las formas Steinheil o Hastings, usan tres o más elementos para lograr una mejor corrección de las aberraciones cromáticas y la distorsión. En general, un mejor enfoque es el uso de superficies asféricas y menos elementos.

Los espejos también se usan. Los microscopios reflectores, en los que la imagen se magnifica a través de espejos cóncavos en lugar de lentes convexos, alcanzaron su punto máximo de perfección en 1947 gracias al físico británico C.R. Burch, quien fabricó una serie de instrumentos gigantes que utilizaban rayos ultravioleta.

El microscopio compuesto

Las limitaciones de resolución (y, por lo tanto, de potencia de aumento) impuestas por las limitaciones de un microscopio simple se pueden superar mediante el uso de un microscopio compuesto, en el que la imagen es retransmitida por dos conjuntos de lentes.

Uno de ellos, el objetivo, tiene una distancia focal corta y se coloca cerca del objeto que se está examinando. Se usa para formar una imagen real en el plano focal frontal de la segunda lente, el ocular u ocular.

El ocular forma una imagen virtual ampliada que puede ser vista por el observador. La potencia de aumento del microscopio compuesto es el producto de la ampliación de la lente del objetivo y la del ocular.

Además de estas dos matrices de lentes, un microscopio compuesto consiste en un tubo corporal, en el que las lentes pueden alojarse y mantenerse a una distancia apropiada.

una lente de condensador que se encuentra debajo de la etapa de la muestra y enfoca la luz sobre la muestra; y un sistema de iluminación, que transmite luz a través o refleja luz desde el objeto que se está examinando.

También se debe proporcionar un método para enfocar el microscopio, generalmente con controles de enfoque grueso y fino.La forma básica de un microscopio compuesto es monocular: se usa un solo tubo, con el objetivo en un extremo y un ocular único en el otro.

Con el fin de permitir la visión con dos ojos y de ese modo aumentar la comodidad y la agudeza, se puede emplear un solo objetivo en un tubo binocular equipado con un par de oculares combinados.

Los prismas de división del haz se utilizan para enviar la mitad de la luz de la imagen formada por el objetivo a cada ojo. Estos prismas están montados en un conjunto mecánico giratorio para que la separación entre los oculares se pueda hacer coincidir con la distancia interpupilar requerida para el observador.

Un verdadero microscopio estereoscópico se configura utilizando dos objetivos y dos oculares, lo que permite que cada ojo vea el objeto por separado, haciendo que parezca tridimensional.

Óptica

Hay algunas limitaciones geométricas obvias que se aplican al diseño de la óptica del microscopio. La resolución alcanzable, o la distancia más pequeña en la que dos puntos se pueden ver como separados cuando se mira a través del microscopio, es la primera propiedad importante.

Esto generalmente se establece por la capacidad del ojo para discernir detalles, así como por la física básica de la formación de imágenes.

La capacidad del ojo para discernir detalles está determinada por varios factores, incluido el nivel de iluminación y el grado de contraste entre las regiones claras y oscuras del objeto.

Bajo condiciones de luz razonables, un ojo normal con buena agudeza visual es capaz de ver dos puntos de alto contraste si subtienden un ángulo visual de al menos un minuto de arco de tamaño.

En un objetivo de inmersión, la longitud de onda efectiva de la luz se reduce por el índice de refracción del medio dentro del cual reside el objeto que se está examinando. El uso de técnicas de imágenes de inmersión en microscopía mejora las capacidades de resolución del microscopio.

Componentes mecánicos

El tubo del cuerpo del microscopio separa el objetivo y el ocular y asegura la alineación continua de la óptica. Es una longitud estandarizada, relacionada antropométricamente con la distancia entre la altura de un banco o tablero de la mesa (sobre la cual se apoya el microscopio) y la posición de los ojos del observador sentado.

Normalmente está equipado con una torreta giratoria que permite intercambiar objetivos de diferentes potencias con la garantía de que se mantendrá la posición de la imagen.

Tradicionalmente, la longitud del tubo corporal se ha definido como la distancia desde el extremo superior del objetivo hasta el extremo del ocular del tubo.

El uso de otras distancias afectará el equilibrio de la aberración para objetivos de gran aumento. Por lo tanto, el enfoque del microscopio tradicional requiere mover el objetivo, el tubo y el ocular como una unidad rígida.

Para lograr esto, todo el tubo está equipado con un mecanismo de piñón y cremallera que lo permite, junto con el objetivo y el ocular, acercarse o alejarse de la muestra.

La muestra generalmente se monta en un portaobjetos de vidrio. Las diapositivas de rutina del microscopio se fijaron en 3 x 1 pulgadas durante la época victoriana y todavía se producen en el equivalente métrico de esas dimensiones (7,5 × 2,5 cm) en la actualidad.

La muestra, generalmente inmersa en un material con una R.I. que coincide con la del tobogán, está cubierta con un cubreobjetos delgado. La etapa mecánica sobre la que se apoya el tobogán está equipada con un par de controles que presentan una disposición de cremallera y piñón.

Se han introducido varios enfoques para lograr un movimiento estable y preciso a un costo razonable. Algunos diseñadores han eliminado el mecanismo deslizante del tubo corporal, incorporando ajustes para el movimiento vertical necesario para enfocar, así como el movimiento lateral del objeto, en un único sistema mecánico.

El objetivo en sí está diseñado para corregir las aberraciones para una distancia de imagen infinita. Una ventaja de este enfoque es que, dado que la imagen retransmitida está en el infinito, el objetivo del microscopio mismo, un componente muy ligero, se puede mover para efectuar el enfoque sin alterar la corrección de las aberraciones.

En algunos microscopios, el ocular está diseñado como una porción de un lente zoom, que permite una variación continua del aumento en un rango limitado sin pérdida de enfoque. Tales microscopios son ampliamente utilizados en la industria.

El sistema de iluminación

El sistema de iluminación del microscopio óptico estándar está diseñado para transmitir luz a través de un objeto translúcido para su visualización. En un microscopio moderno, consta de una fuente de luz, como una lámpara eléctrica o un diodo emisor de luz, y un sistema de lentes que forma el condensador.

El condensador se coloca debajo del escenario y concentra la luz, proporcionando una iluminación brillante y uniforme en la región del objeto bajo observación.

Típicamente, el condensador enfoca la imagen de la fuente de luz directamente sobre el plano de la muestra, una técnica llamada iluminación crítica.

Alternativamente, la imagen de la fuente se enfoca en el condensador, que a su vez se enfoca en la pupila de entrada del objetivo del microscopio, un sistema conocido como iluminación Köhler.

La ventaja del último enfoque es que las no uniformidades en la fuente se promedian en el proceso de creación de imágenes.

Para obtener un uso óptimo del microscopio, es importante que la luz de la fuente cubra el objeto y llene de luz la abertura de entrada del objetivo del microscopio.

El objetivo

La óptica del objetivo del microscopio está definida por la distancia focal, N.A., y el campo de visión. Los objetivos que se han corregido para las aberraciones se definen además por los requisitos de longitud de onda y la longitud del tubo del microscopio.

Los fabricantes proporcionan lentes objetivos con ampliaciones estándar que generalmente van de 2 a 100 ×. La distancia focal del objetivo es inversamente proporcional al aumento y, en la mayoría de los microscopios modernos, es igual a la longitud del tubo (por lo general 160 mm [6,3 pulgadas]) dividido por el aumento.

El campo de visión del ocular generalmente se configura como un tamaño estándar de aproximadamente 20 mm (0,8 pulgadas) de diámetro.

El campo de visión del objetivo se establece a un rango de 10 mm (0,4 pulgadas) para un objetivo con una potencia de aumento de 2 × a 0,2 mm (0,008 pulgadas) para un objetivo con un aumento de 100 ×. Como resultado, el campo de visión angular es de aproximadamente 7 ° para todos los objetivos.

Profundidad de foco

El gran N. de un objetivo de microscopio restringe los requisitos de enfoque del objetivo. La profundidad de enfoque se muestra en la tabla como la precisión con la que el plano focal debe ubicarse en una dirección a lo largo del eje de la óptica del microscopio para que se pueda obtener la resolución más alta posible.

Máxima potencia de resolución y profundidad de foco para un microscopio visual

Longitud focal objetiva (mm) apertura numérica (AN) aumento máximo útil en microscopio compuesto resolución máxima en el objeto (mm) profundidad de foco objetivo (mm)

  • 32 0.10 100 × 0.0025 0.025
  • 16 0.25 250 × 0.001 0.0038
  • 8 0.50 500 × 0.0005 0.00086
  • 4 0,95 1,000 × 0,00026 0,00024
  • 3 1,38 1,500 × (inmersión en aceite) 0,00018 0,00010

El ocular

El ocular se selecciona para examinar la imagen transmitida en condiciones que sean cómodas para el espectador. La potencia de aumento del ocular generalmente no supera 10 ×.

El campo de visión es entonces de aproximadamente 40 ° en total, un valor conveniente para un diseño óptico relativamente simple.El observador coloca el ojo en la pupila de salida del ocular, el punto en el que se unen los rayos de luz que salen del ocular.

En la mayoría de los casos, es deseable un alivio ocular (o distancia desde la pupila de salida hasta el último elemento del ocular) de aproximadamente 1 cm. Un alivio de ojo demasiado corto hace que la visión sea difícil para los observadores que usan anteojos correctivos.

Captura de imagen

Un enfoque es quitar el ocular y colocar el soporte de la película o la cámara digital en el plano focal del ocular, interceptando así la imagen del objetivo directamente.

Un mejor enfoque es utilizar un ocular de proyección diseñado específicamente, que se puede ajustar para proporcionar la ampliación adecuada que acople la imagen a la película.

Hoy en día prevalece cada vez más el uso de un detector electrónico tal como un semiconductor de óxido de metal complementario (CMOS) o un dispositivo de carga acoplada (CCD) para capturar la imagen ampliada como una señal digital. Esta señal se puede transmitir a una computadora y traducir a una imagen en el monitor.

El software permite al usuario tomar imágenes individuales, secuencias de video en movimiento o secuencias de lapso de tiempo con un clic del mouse. Estos pueden guardarse para visualización convencional, y el procesamiento de imágenes puede usarse para mejorar el resultado.

El análisis del área y el tamaño y la distribución de las partículas se realiza fácilmente por medios analíticos convencionales una vez que las imágenes se han capturado digitalmente.

La producción de presentaciones por computadora, la transmisión por correo electrónico y la facilidad de impresión son beneficios que la digitalización aporta al microscopista moderno.